Zirconiu stabilizat cu ytria

Zirconia stabilizată cu yttria ( YSZ ) este o ceramică în care structura cristalină cubică a zirconiei este stabilizată prin adăugarea de ytriu la temperatura camerei.

Stabilizare

Zirconia pură suferă o transformare de fază de la monoclinic (stabil la temperatura camerei) la tetragonal (la aproximativ 1173°C) și apoi la cubic (aproximativ 2370°C) conform următoarei scheme:

monoclinic (1173 °С) tetragonal (2370 °С) cubic (2690 °С) topire $\leftrightarrow$ $\leftrightarrow$ $\leftrightarrow$

Obținerea unui corp ceramic sinterizat cu zirconiu stabil este dificilă din cauza schimbării mari de volum care însoțește trecerea de la tetragonal la monoclinic (aproximativ 5%). Stabilizarea polimorfului de zirconiu cubic pe un interval mai larg de temperatură se realizează prin înlocuirea unora dintre ionii Zr 4+ (raza ionică de 0,82 Å este prea mică pentru rețeaua ideală de fluorit caracteristică zirconiei tetragonale) într-o rețea cristalină cu ioni puțin mai mari. , cum ar fi Y3 + (raza ionică 0,96 Å). Oxizii de zirconiu dopați rezultați se numesc oxizi de zirconiu stabilizați . [unu]

Materialele legate de YSZ includ oxid de calciu , oxid de magneziu , oxid de ceriu sau zirconiu stabilizat cu alumină sau zirconiu parțial stabilizat (PSZ).

Deși 8-9 mol.% YSZ nu este complet stabilizat în faza cubică YSZ pură până la temperaturi de peste 1000 °C (lucrare [2] și publicații din aceasta), următoarele abrevieri sunt cel mai frecvent utilizate:

Zirconiu parțial stabilizat ZrO 2 :
- PSZ - oxid de zirconiu parțial stabilizat
- TZP - Policristal de oxid de zirconiu tetragonal
- 4YSZ - ZrO 2 , parțial stabilizat cu 4 mol.% Y 2 O 3 , zirconiu, parțial stabilizat cu ytriu
Zirconiu complet stabilizat ZrO 2 :
- FSZ - zirconiu complet stabilizat
- CSZ - Cubic Stabilized Zirconia
- 8YSZ - ZrO2 complet stabilizat 8 mol. % Y2O3
- 8YDZ - 8-9 mol.% Y 2 O 3 dopat cu ZrO 2 : datorită faptului că materialul nu este complet stabilizat și se descompune la temperaturi ridicate de aplicare, vezi [3] [4] [5] )

Coeficientul de dilatare termică

Coeficienții de dilatare termică depind de modificarea dioxidului de zirconiu:

Monoclinic: 7 10 −6 /K [6]
Tetragonal: 12 10 −6 /K
Y 2 O 3 stabilizat: 10,5 10 −6 / K

Conductivitatea ionică YSZ și degradarea acesteia

Când ytriul este adăugat la zirconiu pur (de exemplu, YSZ complet stabilizat), ionii Y 3+ înlocuiesc Zr 4+ pe rețeaua cationică. Astfel, locurile libere de oxigen se formează datorită neutralității sarcinii: [7]

${\text{Y}}_{2}{\text{O}}_{3}\rightarrow 2{\text{Y}}_{\text{Zr}}^{'}+3{ \text{O}}_{\text{O}}^{\text{x}}+{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }$ cu , $[{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }]={\frac {1}{2}}[{\text{Y}}_{\text {Zr}}^{'}]$

adică doi ioni Y 3+ creează un loc vacant pe subrețelele anionice. Aceasta contribuie la conductivitatea moderată a zirconiei stabilizate cu ytriu pentru ionii de O 2- (și, prin urmare, la conductibilitatea electrică) la temperatură ridicată și ridicată. Această capacitate de a conduce ionii O 2- face ca zirconia stabilizată cu ytria să fie adecvată pentru utilizare ca electrolit solid în celulele de combustie cu oxid solid.

La concentrații scăzute de dopant, conductivitatea ionică a materialelor stabilizate cu oxid de zirconiu crește odată cu creșterea conținutului de Y2O3 . Maximul atins la aproximativ 8–9 mol.% este practic independent de temperatură (în intervalul 800–1200°C). [1] [8] La aceste temperaturi, 8-9 mol.% YSZ (8YSZ, 8YDZ) s-au dovedit a fi, de asemenea, situate în câmpul de 2 faze (c + t) al diagramei de fază YSZ, ceea ce duce la descompunere a materialului în regiuni îmbogățite în Y și epuizare în Y la scară nanometrică și, prin urmare, degradare electrică în timpul funcționării. [4] Modificările microstructurale și chimice la scara nanometrică sunt însoțite de o scădere bruscă a conductibilității ion-oxigen a lui 8YSZ (degradarea lui 8YSZ) cu aproximativ 40% la 950 °C timp de 2500 de ore. [5] Urmele de impurități precum Ni dizolvat în 8YSZ, de exemplu din cauza fabricării pilelor de combustie, pot avea un efect grav asupra vitezei de descompunere (accelerarea descompunerii interne a 8YSZ cu ordine de mărime), astfel încât degradarea de conductivitate devine problematică chiar şi la temperaturi scăzute de funcţionare.temperaturi în intervalul 500–700 °C. [9]

În prezent, ceramica mai complexă, cum ar fi zirconia co-dopată (de exemplu, oxidul de scandiu), sunt utilizate ca electroliți solizi.

Aplicații

YSZ are o serie de aplicații:

Ca material dur și inert chimic (de exemplu, în coroanele dentare ).
Ca refractar (de exemplu, în motoarele cu reacție).
Ca acoperire de barieră termică în turbinele cu gaz .
Ca electroceramică datorită proprietăților sale conductoare de ioni (de exemplu, pentru determinarea conținutului de oxigen din gazele de eșapament, pentru măsurarea pH -ului în apa la temperatură înaltă, în celulele de combustie).
Ca un electrolit solid în producția de celule de combustie cu oxid solid (SOFC), oferind conductivitate ionilor de oxigen, blocând în același timp conductivitatea electronică. Pentru a obține o conductivitate ionică suficientă, SOFC cu electrolit YSZ trebuie să funcționeze la temperaturi ridicate (800°C-1000°C). [10] Deși este benefic ca YSZ să păstreze rezistența mecanică la aceste temperaturi, temperatura ridicată necesară este adesea un dezavantaj al SOFC. Densitatea mare a YSZ este, de asemenea, necesară pentru a separa fizic combustibilul gazos de oxigen, altfel sistemul electrochimic nu va produce energie electrică. [11] [12]
Ca decor datorită durității și proprietăților sale optice sub formă de monocristal.
Ca material pentru lamele de cuțit nemetalice .
Paste pe bază de apă din ceramică și cimenturi lucrate manual. Conțin fibre YSZ măcinate microscopic sau particule submicronice, adesea cu silicat de potasiu și acetat de zirconiu (la pH ușor acid). Cimentarea are loc atunci când apa este îndepărtată. Materialul ceramic rezultat este potrivit pentru aplicații la temperaturi foarte ridicate.
YSZ dopat cu materiale cu pământuri rare poate acționa ca un fosfor termografic și un material luminiscent. [13]
Folosit istoric pentru tijele luminoase din lămpile Nernst .
Ca manșon de centrare de înaltă precizie pentru capetele cablurilor de fibră optică. [paisprezece]

Note

↑ 1 2 H. Yanagida, K. Koumoto, M. Miyayama, „The Chemistry of Ceramics”, John Wiley & Sons, 1996. ISBN 0 471 95627 9 .
↑ Butz, Benjamin. Zirconiu dopat cu yttria ca electrolit solid pentru aplicații cu celule de combustie: aspecte fundamentale . - Southwestdt. Verl. für Hochschulschr., 2011. - ISBN 978-3-8381-1775-1 . Arhivat pe 17 februarie 2020 la Wayback Machine
↑ . - ISBN 978-3-8381-1775-1 .
↑ 1 2 Butz, B. Descompunerea a 8,5 mol.% zirconiu dopat cu Y2O3 și contribuția sa la degradarea conductibilității ionice // Acta Materialia : jurnal. - 2009. - 1 octombrie ( vol. 57 , nr. 18 ). - P. 5480-5490 . - doi : 10.1016/j.actamat.2009.07.045 .
↑ 1 2 Butz, B. Corelația dintre microstructură și degradarea conductibilității pentru ZrO2 cubic dopat cu Y2O3 // Solid State Ionics : jurnal. - 2006. - 1 decembrie ( vol. 177 , nr. 37-38 ). - P. 3275-3284 . - doi : 10.1016/j.ssi.2006.09.003 .
↑ Matweb: CeramTec 848 Zirconia (ZrO 2 ) Arhivat 17 februarie 2020 la Wayback Machine & Zirconium Oxide, Zirconia, ZrO 2 Arhivat 17 februarie 2020 la Wayback Machine
↑ Hund, F. Anomale Mischkristalle im System ZrO2–Y2O3. Kristallbau der Nernst-Stifte (germană) // Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie: magazin. - 1951. - Bd. 55 . - S. 363-366 .
↑ Butz, Benjamin. Zirconiu dopat cu yttria ca electrolit solid pentru aplicații cu celule de combustie: aspecte fundamentale . - 2011. - ISBN 978-3-8381-1775-1 . Arhivat pe 17 februarie 2020 la Wayback Machine
↑ Butz, B. Degradarea accelerată a 8,5 mol% de zirconiu dopat cu Y2O3 de către Ni dizolvat // ionici în stare solidă : jurnal. - 2012. - 25 aprilie ( vol. 214 ). - P. 37-44 . - doi : 10.1016/j.ssi.2012.02.023 .
↑ Song, B. Stabilitatea mecanică îmbunătățită a schelei Ni-YSZ demonstrată prin nanodentație și spectroscopie de impedanță electrochimică // Journal of Power Sources : jurnal. - 2018. - August ( vol. 395 ). - P. 205-211 . - doi : 10.1016/j.jpowsour.2018.05.075 .
↑ Minh, NQ Ceramic Fuel-Cells // Journal of the American Ceramic Society : jurnal. - 1993. - Vol. 76 , nr. 3 . - P. 563-588 . - doi : 10.1111/j.1151-2916.1993.tb03645.x .
↑ DeGuire, Eileen. Pile de combustie cu oxid solid . - CSA, 2003. Arhivat din original la 5 noiembrie 2014.
↑ Societatea Americană de Ceramică. Progrese în acoperirile cu barieră termică. - 2009. - S. 139 -. — ISBN 978-0-470-40838-4 .
↑ DIAMOND SA | Soluții de interconectare prin fibră optică . Data accesului: 17 februarie 2020. Arhivat din original pe 22 ianuarie 2013. (nedefinit)